Phân tích so sánh các hệ gen

Phân tích so sánh các hệ gen Việc so sánh hệ gen giữa các loài động vật khác nhau là cơ sở trực tiếp để đánh giá sự biến đổi về cấu trúc gen và trình tự của chúng xuất hiện trong quá trình tiến hóa. Việc so sánh các hệ gen như vậy đồng thời cùng giúp khẳng định chắc chắn hơn về các vùng gen mã hóa protein trong một hệ gen của loài nào đó
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích so sánh các hệ genPhân tích so sánh các hệ genViệc so sánh hệ gen giữa các loài động vật khác nhau là cơ sở trực tiếp đểđánh giá sự biến đổi về cấu trúc gen và trình tự của chúng xuất hiện trong quátrình tiến hóa. Việc so sánh các hệ gen như vậy đồng thời cùng giúp khẳngđịnh chắc chắn hơn về các vùng gen mã hóa protein trong một hệ gen của loàinào đó.Ví dụ như các exon của các gen đồng tiến hóa có mức độ bảo thủ cao hơnnhiều so với các intron. Việc so sánh hệ gen người và chuột đã tìm thấy nhiềuexon có tính bảo thủ cao. Việc so sánh giữa các hệ gen cũng đồng thời giúpxác định các trình tự exon ngắn (hay tìm thấy ở phần đầu 5’ của gen và vùngpromoter li) vốn thường bị sót khi xác định bằng phần mềm máy tính. Mộttrong những khám phá nổi bật của phép phân tích so sánh các hệ gen là việctìm ra sự phổ biến của tính bảo thủ liên kết giữa các gen trên cùng NST. Ởngười và chuột, sự bảo thủ của tính liên kết giữa các gen trên cùng NST là rấtphổ biến. Trong nhiều trường hợp, tính bảo thủ này được tìm thấy ở cả cácloài rất xa nhau trong quá trình tiến hóa, ví dụ như ở loài cá bể dẹt có tổ tiênchung với các loài động vật có vú từ 400 triệu năm trước đây. Hiện tượngphổ biến của sự bảo thủ trong tính liên kết của nhiều gen cho thấy có nhiềukhả năng các gen “láng giềng” cùng dùng chung các trình tự điều hòa gen.Một điều tra dùng phần mềm máy tính gần đây tìm thấy trong một đoạn NSTcó kích thước 100 - 200 kb ở ruồi dấm Drosophila có 10 - 20 gen liên kết cóhình thức điều hòa sự biểu hiện giống hệt nhau. Ở ruồi dấm có khoảng 500 -1000 đoạn NST duy trì sự liên kết bảo thủ này có thể là do các gen liên kếtcùng phụ thuộc vào các trình tự điều hòa chung ở vùng NST đó.Các trình tự mã hóa protein không chỉ là các vùng của hệ gen được giới hạnvề chức năng. Các trình tự điều hòa (vị trí gắn của các yếu tố phiên mã và cácyếu tố điều hòa hoạt động gen, như các yếu tố tăng cường enhancer) thườngcó tính bảo thủ cao. Các trình tự này thường được xác định là các trình tựkhông mã hóa protein ngắn và bảo thủ. Ví dụ một chương trình máy tính gọilà VISTA (không phải hệ điều hành mới đây của Microsoft) khi phân tích hệgen ở nhiều loài khác nhau tìm thấy sự bảo thủ ở tỉ lệ 70% trong một đoạntrình tự phân tích 50 - 75 bp đối với một số trình tự ADN có vai trò điều hòa.Hai loài cá bể dẹt và chuột cùng có khoảng 10.000 các đoạn trình tự khôngmã hóa ngắn giống nhau, rất có thể chúng là các trình tự tăng cường đặctrưng mô. Tuy vậy, cả hai loài này, đặc biệt ở chuột, dường như có nhiềutrình tự điều hòa bị bỏ sót khi sử dụng phần mềm máy tính để phân tích trìnhtự gen. Người ta đã xác định được ở loài động vật bậc thấp Ciona intestialiscó chứa khoảng 20.000 các trình tự enhancer, và vì vậy không có gì là ngạcnhiên nếu người và chuột sẽ có khoảng 50.000 - 100.000 các trình tựenhancer trong hệ gen.Các phương pháp được sử dụng để xác định các trình tự tăng cường dựa trênviệc xác định các vị trí liên kết của các yếu tố hoạt hóa hoặc ức chế phiên mã.Việc xác định được các trình tự điều hòa trong phân tử ADN còn là tháchthức lớn hơn so với việc xác định được các trình tự mã hóa protein bởi cáctrình tự điều hòa không bị hạn chế bởi các nguyên lý của mã di truyền. Vìvậy, dường như việc phải phối hợp nhiều phương pháp sinh tin học vàchương trình máy tính là cần thiết để có thể xác định được các trình tự ADNđiều hòa trong toàn bộ hệ gen.Công cụ phần mềm phân tích hệ gen được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay làBLAST (basic local alignment tool). Có một số cải biến khác nhau trong cácchương trình BLAST, tuy vậy tất cả các chương trình này đều có các đặcđiểm chung là tìm được những vùng giống nhau giữa các gen mã hóa proteinkhác nhau. Có nhiều cách để tìm dữ liệu từ BLAST. Một trong những cáchđó là sử dụng công cụ tìm kiếm hệ gen hoặc các hệ gen đối với tất cả cáctrình tự protein được dự đoán trước gọi là “querry sequence”. Chẳng hạn nhưví dụ sau: gen eve mã hóa trong một protein điều hòa phiên mã thiết yếu chosự phân hóa tế bào ở phôi Drosophila. Protein Eve có 376 axit amin. Vùngchức năng của protein này nằm giữa các axit amin 71 - 130. Khi sử dụngtrình tự của 60 axit amin này để tìm kiếm, kết quả cho thấy hệ genDrosophila có 75 gen mã hóa chứa trình tự này. Như vậy, chương trìnhBLAST đã nhanh chóng xác định được một loạt các gen có chức năng tươngtự.Một cách khác để khai thác cơ sở dữ liệu của BLAST là tra cứu theo trình tựnucleotit. Chẳng hạn như trong thí dụ trên, người ta có thể sử dụng tương ứngtrình tự 180 bp mã hóa cho hộp định loại gen (homeobox).Tóm lại, việc trình tự các hệ gen đầy đủ của các loài khác nhau ngày càngtăng lên đã cung cấp một cơ sở dữ liệu ngày càng phong phú và đầy đủ chocác nghiên cứu hệ gen học so sánh. Ngày càng có nhiều các chương trìnhmáy tính được phát triển và hoàn thiện để khai thác vốn thông tin di truyềnđang ngày càng được tạo ra đầy đủ hơn qua các chương trình giải mã ADN tựđộng. ...